ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

1. Electrones, electricidad y magnetismo 1. Flujos de electrones: electricidad y magnetismo 1.1. La corriente eléctrica 1.2. Ley de Ohm 1.3. Energía, calor y potencia eléctrica 1.4. Resistencia y circuitos eléctricos 1.5. Electrólisis 1.6. Campo magnético de una corriente eléctrica 1.7. Imanes y circuitos magnéticos 1.8. Galvanómetros, amperímetros y voltímetros 1.9. Inducción electromagnética 1.10. Autoinducción e inducción mutua 1.11. Generador y motor eléctricos 1.12. Corriente alterna

CONOCIMIENTOS

INDICADORES ESENCIALES DE EVALUACIÓN 

• Define el concepto corriente eléctrica, sus conceptos y leyes asociados. Indica la dirección de dicha corriente; analiza y soluciona ejercicios sobre el tema.• Establece las relaciones entre la corriente eléctrica continua y alterna; resuelve situaciones problémicas cotidianas en las que se evidencie esta relación.• Define una fuente de fem y determina cuantitativamente la fem inducida en un conductor móvil.• Representa y arma resistores en serie y paralelo, determina sus características y realiza cálculos en situaciones diversas• Explica la ley de Faraday de la electrólisis y el equivalente electroquímico de una sustancia.• Demuestra la correcta utilización de un galvanómetro, amperímetro y voltímetro en procesos de medición• Establece las leyes de Lenz y de Faraday que rigen el proceso de la inducción electromagnética y las aplica en la resolución efectiva de ejercicios.• Integra y contextualiza los conceptos relacionados con la autoinducción e inducción mutua; además, resuelve con probidad ejercicios al respecto.• Define los conceptos de generador y motor eléctrico, y establece sus diferencias más notables; realiza las consideraciones cuantitativas pertinentes y resuelve exitosamente ejercicios de aplicación.• Establece e integra los conceptos relacionados con los circuitos de corriente alterna y demuestra probidad en la resolución de ejercicios de aplicación. 

CARGAS ELÉCTRICAS

Las cargas eléctricas son partículas que ejercen fuerzas atractivas y repulsivas entre ellas.

Se dividen en dos tipos diferentes: las cargas positivas y las cargas negativas. Una positiva y una negativa se atraen entre sí. Si se atraen, deben ser de distinta carga.

Las cargas negativas repelen a las cargas negativas. Las cargas positivas también se repelen entre sí.

En la actualidad se conoce que la carga eléctrica es una propiedad cuantizada.

La unidad más elemental de carga es la del electrón y que corresponde a:

1,6× 10-19 culombios y es conocida como carga elemental. El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se mide según el número de electrones que posea en exceso o en defecto, con relación al número de protones.

En el Sistema Internacional de Unidades,  la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo C) y se define como la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de 9×109 N.

Si partimos del valor de carga del electrón podemos calcular el número de electrones que hay en un culombio de la siguiente manera:

1e- ------- 1,6 x 10-19 C

X -------- 1 C

X= 6,25 X1018 e-

LEY DE CULOMBIO

La fuerza de atracción o de rechazo de una carga a otra depende de la cantidad de las cargas y de la separación que existe entre ellas.

Para calcular la fuerza con la que se atraen dos cargas eléctricas de distinto signo utilizaremos la fórmula de la Ley de Coulomb, la cual nos dice que la fuerza con que se atraen estas dos partículas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, puede calcularse según la siguiente ecuación:

F= k QI Q2/ D2

Donde:F: Fuerza expresada en Newton [N]

QI y Q2: son Cargas expresadas en Culombios [C]

D: Distancia de separación entre las cargas expresada en metros [m]

K: Constante de proporcionalidad: 9 X 109 Nm2/C2 para el aire o vacío.

CORRIENTE ELÉCTRICA

La corriente eléctrica es el movimiento ordenado de cargas eléctricas dentro de un conductor debido a una diferencia de potencial entre sus extremos, por eso dentro del conductor aparece un campo eléctrico que moverá a las cargas eléctricas.

En un sentido más amplio la corriente eléctrica es la circulación de cargas o electrones a través de un circuito eléctrico cerrado, las cargas se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de suministro de fuerza electromotriz (FEM) o de un generador de corriente.

INTENSIDAD DE CORRIENTE

Es una magnitud física cuyo valor nos indica la cantidad de carga eléctrica que pasa por la sección transversal del conductor en cada unidad de tiempo, matemáticamente se le puede expresar así:

I = Q / t

En el Sistema Internacional de Unidades, la intensidad de corriente se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio.Para obtener una corriente de 1 amperio, es necesario que 1 culombio de carga eléctrica por segundo esté atravesando un plano imaginario trazado en el material conductor.

El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro

AMPERÍMETRO

COMO FUNCIONAPara efectuar la medida es necesario que la intensidad de la corriente circule por el amperímetro, por lo que éste debe colocarse en serie, para que sea atravesado por dicha corriente. El amperímetro debe poseer una resistencia interna lo más pequeña posible con la finalidad de evitar una caída de tensión apreciable (al ser muy pequeña permitirá un mayor paso de electrones para su correcta medida).

Circula siempre en el mismo sentido y con un valor constante. La producen dínamos, pilas, baterías, acumuladores.

CORRIENTE

CONTINUA

CORRIENTE

VARIABLE O ALTERNA

Circula alternativamente en dos sentidos, variando al mismo tiempo su valor. La producen los generadores de C.A., es el tipo de corriente que llega a nuestros hogares.

VOLTAJE, TENSIÓN O DIFERENCIA DE POTENCIAL

La tensión eléctrica o diferencia de potencial, también denominada voltaje es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial entre dos puntos.

También se puede definir como el trabajo por unidad de carga eléctrica ejercido por un campo eléctrico sobre una partícula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas. Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente eléctrica.

Este movimiento de las cargas eléctricas por el circuito se establece a partir del polo negativo de la fuente de FEM hasta el polo positivo de la propia fuente.

En otras palabras, el voltaje, tensión o diferencia de potencial es el impulso que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un circuito eléctrico cerrado. La tensión es independiente del camino recorrido por la carga y depende exclusivamente del potencial eléctrico de los puntos A y B en el campo eléctrico, que es un campo conservativo.

La unidad de medición del voltaje es el voltio , o Julios / Culombio.

El potencial eléctrico se puede medir con un voltímetro

VOLTÍMETRO

Es aquel aparato o dispositivo que se utiliza a fin de medir, de manera directa o indirecta, la diferencia potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico. Gracias a la tecnología actual encontramos también voltímetros digitales.

COMO SE MIDEPara efectuar la medida de la diferencia de potencial el voltímetro ha de colocarse en paralelo; esto es, en derivación sobre los puntos entre los que tratamos de efectuar la medida, con lo que con poca intensidad de corriente a través del aparato se consigue el momento necesario para el desplazamiento de la aguja indicadora.

FUERZA ELECTROMOTRIZ

Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.

Por ser la fem, la energía que debe utilizar para movilizar las cargas, también se la puede definir como el trabajo que tiene que realizar el generador para que se muevan las cargas del circuito.

La fuerza electromotriz, matemáticamente se puede expresar así:

E= W/ Q

La FEM se mide en voltios al igual que el potencial eléctrico1 Voltio = 1 Julio / 1 Culombio

VARIABLE FUERZA ELECTROMOTRIZ

VOLTAJE

Definición . La fem es la causa del movimiento de las cargas dentro del propio generador.

La diferencia de potencial es la causa del movimiento de las cargas en el resto del circuito.

Tipo de circuito Abierto y Cerrado Cerrado

Unidad Voltio Voltio

Aparato de medición Voltímetro Voltímetro

COMPARACIÓN ENTRE VOLTAJE Y FUERZA ELECTROMOTRIZ

ENERGÍA ELÉCTRICA

Es la capacidad que tiene la corriente eléctrica para realizar un trabajo:

De la expresión

E = W / Q, despejando W = E Q

Como Q= I t, entonces

W= E I t

La unidad de la energía eléctrica es el Julio

POTENCIA ELÉCTRICA

Es la energía o trabajo desarrollada en la unidad de tiempo:

P = W/ t

Reemplazando W, tenemos:

P= E I t / t

De donde P= E I

La unidad internacional de la potencia es el vatio

Cuando la potencia se mide en Kw y el tiempo en horas, la unidad de la energía o trabajo es el Kw h

Es toda oposición o dificultad que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones.

RESISTENCIA

ELÉCTRICA

RESISTENCIAS

A.- Electrones fluyendo por un buen conductor eléctrico, que ofrece baja resistencia. B.- Electrones fluyendo por un mal conductor eléctrico, que ofrece alta resistencia a su paso.

La resistencia de cualquier objeto depende únicamente de su geometría y de su resistividad, por geometría se entiende a la longitud y el área del objeto mientras que la resistividad es un parámetro que depende del material del objeto y de la temperatura a la cual se encuentra sometido.

OHMIOLa unidad de la resistencia en el Sistema Internacional de Unidades es el ohmio que se le representa con la letra griega omega (Ω), que es la resistencia de un conductor si es recorrido por una corriente de un amperio cuando se le aplica una tensión de 1 voltio.

La resistencia de un circuito eléctrico determina cuánta corriente fluye en el circuito cuando se le aplica un voltaje determinado.La resistencia de un material puede definirse como la relación entre la diferencia de potencial y la corriente en dicha resistencia, así:

R = V / I

r

 

LEY DE OHMEstablece que "la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo", se puede expresar matemáticamente en la siguiente fórmula o ecuación:I = V /RI = Intensidad en amperios (A)V = Diferencia de potencial en voltios (V)R = Resistencia en ohmios (Ω).

De acuerdo con la “Ley de Ohm”, un ohmio (1Ω) es el valor que posee una resistencia eléctrica cuando al conectarse a un circuito eléctrico de un voltio (1 V) de tensión provoca un flujo o intensidad de corriente de un amperio (1 A).

OHMÍMETROPara su medición en la práctica existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmímetro.

COMO FUNCIONA

El ohmímetro de forma obligatoria hay que colocar en paralelo al componente estando éste separado del circuito (sin que le atraviese ninguna intensidad). Mide resistencias en Ohmios

CIRCUITO ELÉCTRICOUn circuito eléctrico es un conjunto de elementos que unidos de forma adecuada permiten el paso de electrones.

Está compuesto por:

GENERADOR o ACUMULADOR.

HILO CONDUCTOR.

RECEPTOR o CONSUMIDOR.

ELEMENTO DE MANIOBRA.

GENERADOR

Son aquellos elementos capaces de mantener una diferencia de potencial entre los extremos de un conductor.

HILO CONDUCTOR

Formado por un MATERIAL CONDUCTOR, que es aquel que opone poca resistencia la paso de la corriente eléctrica.

RECEPTORES

Son aquellos elementos capaces de aprovechar el paso de la corriente eléctrica: motores, resistencias, focos

ELEMENTOS DE MANIOBRA

Son dispositivos que nos permiten abrir o cerrar el circuito cuando lo necesitamos.

Pulsador: Permite abrir o cerrar el circuito sólo mientras lo mantenemos pulsado

Interruptor: Permite abrir o cerrar un circuito y que este permanezca en la misma posición hasta que volvamos a actuar sobre él.

Conmutador: Permite abrir o cerrar un circuito desde distintos puntos del circuito. Un tipo especial es el conmutador de cruce que permite invertir la polaridad del circuito, lo usamos para invertir el giro de motores

CIRCUITO EN SERIE

Se define un circuito en serie, aquel circuito en el que la corriente eléctrica solo tiene un camino para llegar al punto de partida, sin importar los elementos intermedios. En el caso concreto de solo arreglos de resistencias la corriente eléctrica es la misma en todos los puntos del circuito.

GRÁFICO DE UN CIRCUITO EN

SERIE

Donde Ii es la corriente en la resistencia Ri , V el voltaje de la fuente. Aquí observamos que en general:

 I1 = I2 = I3 = ….. = I

V= V1 + V2 + V3 + …..+ Vn

R = R1 + R2 + R3 + …… + Rn

Donde I la corriente de la fuente

V el voltaje de la fuente

R es la resistencia total

R1 la resistencia1

V1 de la resistencia R1

CIRCUITO EN PARALELO

Se define un circuito paralelo como aquel circuito en el que la corriente eléctrica se bifurca en cada nodo. Su característica más importante es el hecho de que el potencial en cada elemento del circuito tienen la misma diferencia de potencial.

GRÁFICO CIRCUITO EN

PARALELO

Donde, en general

V1 = V2 = V3 = ….. = V

I = I1 + I2 + I3 + ….. + In

R = 1

1+ 1+ 1+ 1

R1 R2 R3 Rn

Donde:I la corriente de la fuente

V el voltaje de la fuente

R es la resistencia total

V1 de la resistencia R1

I1 la corriente 1 de la Resistencia R1

 

 

CIRCUITO MIXTO

Es una combinación de elementos tanto en serie como en paralelos. Para la solución de estos problemas se trata de resolver primero todos los elementos que se encuentran en serie y en paralelo para finalmente reducir a la un circuito puro, bien sea en serie o en paralelo.

  

GRÁFICO CIRCUITO MIXTO

MATERIALES SEGÚN EL TIPO

DE RESISTENCIA

Según sea la magnitud de la resistencia, los materiales se pueden clasificar en conductores, aislantes y semiconductores.

CONDUCTORES

Conductores sólidos: Los metales como el cobre, la plata

Conductores líquidos: El agua, con sales como cloruros, sulfuros y carbonatos que actúan como agentes reductores (donantes de electrones), conduce la electricidad.

SEMICONDUCTORES

Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos químicos y compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el seleniuro de cinc y el telururo de plomo.

AISLANTES

Son aquellos que presentan una resistencia al paso de corriente eléctrica

Aislantes SólidosEn los sistemas de aislación de transformadores destacan las cintas sintéticas PET (tereftalato de polietileno), PEN (naftalato de polietileno) y PPS (sulfido de polifenileno) Un buen aislante entre vueltas de las bobinas de transformadores es el cartón prensado o pressboard, el cual da forma a estructuras de aislación rígidas.

AISLANTES LÍQUIDOS

El líquido aislante sintético más utilizado desde principios de la década de 1930 hasta fines de los 70's fue el Ascarel o PCB, que dejo de usarse por ser muy contaminante.Entre los nuevos líquidos sintéticos destacan las siliconas y los poly-alfa-olefines.

AISLANTES GASEOSOS

Los gases aislantes más utilizados en los transformadores son el aire y el nitrógeno, este último a presiones de 1 atmósfera.

 

La energía necesaria para separar a los iones e incrementar su concentración en los electrodos es aportada por la fuente de alimentación eléctrica.

En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre estos y los iones, produciéndose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones ceden electrones al ánodo (+) y los iones positivos o cationes toman electrones del cátodo (-).

En definitiva lo que ocurre es una reacción de oxidación-reducción, donde la fuente de alimentación eléctrica se encarga de aportar la energía necesaria.

ELECTROLISIS O ELCTRÓLISIS

La electrólisis o electrolisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. En ella ocurre la captura de electrones por los cationes en el cátodo (una reducción) y la liberación de electrones por los aniones en el ánodo (una oxidación).

Fue descubierta accidentalmente en 1800 por William Nicholson mientras estudiaba el funcionamiento de las baterías. Entre los años 1833 y 1836 el físico y químico inglés Michael Faraday desarrolló las leyes de la electrólisis que llevan su nombre

PROCESOSe aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergidos en la solución. El electrodo conectado al polo positivo se conoce como ánodo, y el conectado al negativo como cátodo.

Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones negativos, o aniones, son atraídos y se desplazan hacia el ánodo (electrodo positivo), mientras que los iones positivos, o cationes, son atraídos y se desplazan hacia el cátodo (electrodo negativo).

La manera más fácil de recordar toda esta terminología es fijándose en la raíz griega de las palabras. Odos significa camino. Electrodo es el camino por el que van los electrones. Catha significa hacia abajo (catacumba, catástrofe). Cátodo es el camino por donde caen los electrones. Anas significa hacia arriba. Ánodo es el camino por el que ascienden los electrones. Ion significa caminante. Anión se dirige al ánodo y catión se dirige al cátodo. La nomenclatura se utiliza también en pilas.

LEYES DE FARADAY DE LA ELECTROLISIS

PRIMERA LEY

”Las masas de las sustancias depositadas o liberadas en cada electrodo durante una electrólisis son proporcionales a la cantidad de electricidad que ha pasado a través de la celda electrolítica”. La cantidad de electricidad se refiere a la cantidad de carga eléctrica, que en general se mide en culombios.

SEGUNDA LEY “Para una misma cantidad de corriente eléctrica, las masas depositadas en los electrodos son proporcionales a los equivalentes químicos de las sustancias”, o lo que es lo mismo:

“Para una misma cantidad de carga eléctrica, la masa de las sustancias depositadas o liberadas en los electrodos es proporcional a su masa atómica y al número de electrones intercambiados por cada una de ellas".